3 efectos principales de los que depende la ingeniería eléctrica

Este artículo arroja luz sobre los tres efectos principales de los que depende la ingeniería eléctrica. Los efectos son: 1. Efecto magnético 2. Efecto de calentamiento de la corriente eléctrica 3. Efecto químico.

Ingeniería Eléctrica: Efecto # 1. Efecto Magnético:

Sabemos por nuestra experiencia que cada vez que fluye una corriente eléctrica, el espacio inmediatamente alrededor de su trayectoria se convierte en un campo magnético. La Fig. 3.1 muestra aquí una sección transversal de un cable circular por el que sigue una corriente eléctrica.

La línea de puntos representa un campo magnético cilíndrico que encierra al conductor en toda su longitud. La intensidad de este campo magnético y su extensión varían con la intensidad de la corriente que fluye en el cable.

De hecho, cuanto más fuerte es la corriente, más amplio y más intenso es el campo. Por lo tanto, una propiedad importante de una corriente eléctrica es que puede producir un campo magnético, y esta propiedad de la electricidad se usa en la práctica en motores, transformadores, relés, teléfonos, etc. De hecho, debido a este campo magnético y por inducción electromagnética La diferencia de potencial en un conductor se desarrolla debido a la tasa de cambio del campo magnético.

e = Blv ……………… (eq. 3.1)

donde e -emf en voltios.

B - Webers por metro cuadrado.

I - Longitud del conductor en metro.

v - Velocidad (movimiento) en metros por segundo.

La inducción electromagnética puede ocurrir solo hasta que el cambio continúe. Ahí es cuando este cambio se detiene, la inducción también cesa inmediatamente.

De hecho, hay dos métodos claros en los que se pueden cumplir las condiciones para la inducción:

(1) Por movimiento relativo entre el conductor y el campo, el conductor se mueve en el campo o el campo se desplaza a través del conductor; y / o

(2) Cambiando la intensidad del campo magnético. Por lo tanto, cuando un conductor, por ejemplo, un trozo de cable, se coloca en un campo magnético cambiante, una fuerza electromotriz, se induce en él y se desarrolla una diferencia de potencial entre sus extremos, como se explica en la fórmula 3.1.

Si se conecta un cable a un circuito, la fem inducida conduce una corriente alrededor del circuito mientras el campo magnético continúe cambiando. El conductor en el que se induce la fem es ahora la fuente de energía para el circuito al que está conectado, de modo que la corriente fluye de negativo a positivo a lo largo del conductor mientras fluye de positivo a negativo alrededor del resto del circuito.

La fuerza de la fem inducida en el cable depende de la velocidad con la que se mueve a través del campo magnético y de la intensidad del campo magnético. Esto también se explica por la fórmula básica 3.1.

Y esto significa que solo un pequeño emf sería inducido por un movimiento lento en un campo débil, y de manera similar, un emf más fuerte sería inducido por un movimiento rápido en un campo débil, o un movimiento lento en un campo más intenso. Y también una fem aún más fuerte sería inducida por un movimiento rápido en un campo intenso. De hecho, este principio muy básico es el principio fundamental de la ingeniería eléctrica.

Ahora veamos los dos principios importantes de una manera muy simple:

(a) Principio del generador y

(b) Principio del motor.

(a) Principio del generador:

Un generador consiste en conductores de cobre enrollados en una armadura que gira dentro de un campo magnético, ya sea por una turbina impulsada por vapor o agua, o por un motor de combustión interna, o por un motor eléctrico.

Cuando la armadura gira continuamente, los cables enrollados en ella se mueven continuamente a través del campo magnético y se induce continuamente una fem. Por lo tanto, cada conductor que se mueve a través del campo tiene una fem inducida en él proporcional a la velocidad de rotación y la intensidad del campo.

Los conductores en la armadura están conectados en serie. Si se utilizan muchos conductores, la diferencia de potencial desarrollada en la armadura es muchas veces la diferencia de potencial entre los extremos de un solo conductor. Por lo tanto, la velocidad, la intensidad de campo y el número de conductores en serie en la armadura son factores principales que determinan el voltaje suministrado por un generador.

Ahora, a medida que la armadura gira, cada devanado pasa alternativamente a través de un polo norte y un polo sur. Aplicando la Regla de la Mano Derecha de Fleming como se muestra en la Fig. 3.2, se puede ver que la dirección de la corriente inducida en un devanado se invierte cada vez que pasa a través de un polo de polaridad opuesta.

Si los devanados estuvieran conectados directamente a un circuito, una corriente alterna fluiría en ese circuito, como se muestra en la Fig. 3.3. Un generador de corriente alterna se llama un alternador.

En esta figura, podemos ver que un generador genera naturalmente una fem alterna y cada terminal es alternativamente positivo y negativo. La frecuencia depende de la velocidad de rotación; con el simple campo de dos polos mostrado, la frecuencia es igual al número de revoluciones completadas por el bucle conductor por segundo.

La frecuencia del voltaje generado depende de la velocidad a la que los conductores pasan los polos de polaridad opuesta. En la Fig. 3.3, se muestra un campo de dos polos, pero el campo del generador podría tener más polos.

Un campo generador puede tener cualquier número par de polos; En general, cuatro y seis y ocho polos son comunes. Para cualquier velocidad de rotación, los conductores de armadura pasan polos de polaridad opuesta con mayor frecuencia, en proporción al número de polos.

Por ejemplo, en una máquina de dos polos, cada conductor pasa un polo norte y uno sur por revolución, mientras que en una máquina de cuatro polos cada conductor pasa dos polos norte y dos polos sur por revolución.

Por lo tanto, para cualquier velocidad dada, la corriente alterna generada por una máquina de cuatro polos tiene el doble de frecuencia que la generada por una máquina de dos polos; una máquina del octavo polo tiene el doble de frecuencia que una máquina de cuatro polos, y así sucesivamente. Por lo tanto, la frecuencia está determinada por la velocidad a la que se maneja el generador y el número de polos en el campo. Esto siempre debe ser recordado.

Generador de corriente continua:

Cuando se requiere que el generador suministre una corriente continua, se debe usar un dispositivo para invertir la conexión entre el devanado y el resto del circuito cada vez que cambie la dirección de la fem inducida en el devanado. Tal dispositivo se llama un conmutador.

Un conmutador es un tambor montado en el eje de los devanados de la armadura. La superficie del tambor está dividida en segmentos metálicos, cada uno aislado de los otros. Los contactos fijos llamados cepillos, conectados directamente al circuito externo, se apoyan en la superficie cilíndrica del conmutador, de modo que cada uno hace contacto con los segmentos metálicos, a medida que el tambor gira.

El devanado de inducido está conectado a los segmentos del conmutador de tal manera que, sea cual sea la polaridad de la diferencia de potencial inducida en el devanado de inducido, la corriente fluye en la misma dirección alrededor del circuito externo. En la figura 3.4 vemos un conmutador muy simple.

En la figura 3.4 (a), el conductor A se está moviendo a través del polo norte y el conductor B se está moviendo a través del polo sur; por lo tanto, la corriente fluye desde los segmentos B al segmento A del conmutador, es decir, desde el cepillo negativo al cepillo positivo dentro de la armadura. Cuando la armadura ha girado 180 ° como en la Fig. 3.4 (b), el conductor A se está moviendo más allá del polo sur y el conductor B se está moviendo más allá del polo norte.

Por lo tanto, la corriente fluye del segmento A al segmento B. Pero como la armadura ha girado 180 °, el segmento B ahora está conectado al cepillo positivo y el segmento A está conectado al cepillo negativo, de modo que, como antes, la corriente fluye desde el negativo cepille al cepillo positivo en la armadura, y del cepillo positivo al cepillo negativo en el circuito externo.

Campo generador:

Un generador puede trabajar con un campo magnético constante, de modo que se pueden usar imanes permanentes o devanados de campo (en los que una corriente de activación constante produce un campo magnético constante).

La mayoría de los generadores usan bobinados de campo, pero los campos de imán permanente se usan para algunos generadores pequeños destinados a proporcionar solo una salida baja, por ejemplo, los que se usan en circuitos telefónicos. Los generadores que usan un campo magnético permanente generalmente se llaman magnetos.

Alternador de campo giratorio:

En algunos alternadores e imanes de CA, las funciones de las partes giratorias y estacionarias se invierten, el imán energizado está en la armadura (o rotor, como se llama la parte giratoria de una máquina de CA). Cuando el rotor gira alrededor, el campo magnético barre todos los conductores en la parte estacionaria del estator de la máquina.

El efecto es exactamente el mismo que si las bobinas de alambre giraran en el campo magnético como se ilustra en la Fig. 3.5.

(b) Principio del motor:

Por nuestra experiencia y conocimiento teórico, sabíamos que la estrecha conexión entre corriente eléctrica, campo magnético y movimiento no se limita a la generación de corriente eléctrica. Esta conexión cercana también da lugar al principio del motor, el principio sobre el cual funcionan todos los motores eléctricos, es decir, que permite que la energía eléctrica se convierta continuamente en movimiento.

De hecho, el principio del motor es el reverso del principio del generador. Si se coloca un conductor en un campo magnético, como se muestra en la fig. 3.6 y la corriente fluye a través de él, el conductor tenderá a moverse a través del campo magnético.

Si el cable está montado en una armadura que puede girar libremente, la fuerza que actúa sobre el conductor tiende a girar el rotor. Y como esta acción magnética continúa repetidamente, el rotor continúa moviéndose, y esto se llama acción del motor.

Sin embargo, un motor está construido de manera casi similar a un generador, con conductores enrollados en una armadura y colocados dentro de un campo magnético. La corriente fluye a través del devanado de la armadura y la armadura gira. A medida que cada conductor pasa a través del campo magnético, la corriente que fluye mantiene la fuerza de giro de la armadura, de modo que se mantiene un par continuo (que se puede llamar fuerza de giro).

La dirección del movimiento de un conductor portador de corriente en un campo magnético puede mostrarse mediante la Regla de la Mano Izquierda de Fleming, como se ilustra en la Fig. 3.7. Del mismo modo que los generadores pueden suministrar corriente alterna o directa, los motores pueden diseñarse para funcionar ya sea con corriente alterna o corriente continua.

(c) Inducción por cambio de intensidad de campo:

Cuando un conductor se mantiene estacionario dentro de un campo magnético que es cada vez más fuerte o más débil, se induce una fem, en ese conductor. Si el conductor se conecta a un circuito eléctrico, la corriente fluye.

La intensidad del campo de un imán permanente es invariable, de modo que no se puede inducir una fem en un conductor que está estacionario en dicho campo. Pero la intensidad del campo magnético producido por una bobina puede, sin embargo, aumentar o disminuir cambiando la intensidad de la corriente que la fluye.

Por lo tanto, se puede inducir una fem en un conductor que se coloca en un campo electromagnético cambiando la intensidad de la corriente que fluye en la bobina que produce el campo. La fem es inducida, por lo tanto, solo cuando la fuerza actual está cambiando realmente.

Inducción mutua:

Si el conductor en el que se induce la fem está conectado a un circuito que es eléctricamente independiente del circuito enrollado, fluye una corriente. La corriente fluye de negativa a positiva en el resto del circuito. El proceso por el cual se puede hacer que la corriente fluya en un circuito al cambiar la intensidad de la corriente en otro circuito se denomina inducción mutua.

La fuerza de la fem inducida depende de la velocidad a la que cambia la corriente que produce el campo. Cuanto mayor es la tasa de cambio, mayor es la fem inducida. La mayor tasa de cambio posible en un circuito de corriente continua se produce cuando se conecta o desconecta la alimentación de una bobina, porque, en estos momentos, el flujo de corriente cambia casi instantáneamente de Nada a su máximo, o de máximo a nada.

En todos estos momentos se induce una fem mensurable en un conductor colocado cerca de la bobina. Ahora, si una bobina se coloca en un campo magnético cambiante y la fem se induce por separado en cada vuelta, la fem total inducida en la bobina es mayor que la inducida en una sola vuelta, ya que todas las vueltas en la bobina son en serie. Siguiendo este principio, se puede utilizar una bobina con un gran número de vueltas para la inducción de un alto voltaje.

Bobina de inducción:

La inducción mutua es el principio de la bobina de inducción, que es un dispositivo para producir impulsos a muy alto voltaje a partir de un suministro de bajo voltaje, como se muestra en la Fig. 3.8. La bobina de inducción consiste en una bobina primaria, enrollada en un núcleo de hierro blando y conectada a un suministro de bajo voltaje a través de un interruptor.

Cuando el suministro se conecta al devanado primario cerrando el interruptor, el devanado se energiza y se induce momentáneamente un voltaje muy alto en el devanado secundario. De manera similar, cuando se rompe el circuito del devanado primario, también se induce momentáneamente un voltaje muy alto en el secundario, pero esta vez actúa en la dirección opuesta.

El devanado secundario de la bobina de inducción, por lo tanto, se puede hacer para desarrollar una sucesión de impulsos a un potencial muy alto. De hecho, por este principio tan simple, las chispas de encendido en los motores de los automóviles son producidas por una bobina de inducción que funciona con la batería del automóvil. El circuito primario está hecho y roto, en el tiempo con la revolución del motor.

Inducción mutua por corriente alterna:

La fuerza real de una corriente alterna está cambiando continuamente de un momento a otro debido a su característica. El campo magnético producido por una corriente alterna es por lo tanto un cambio continuo. Si se coloca un conductor dentro del campo, se induce continuamente una fem en él.

Si el conductor está conectado a un circuito eléctrico, la corriente fluirá continuamente en ese circuito. La corriente inducida está relacionada con la corriente aplicada de una manera muy precisa.

Durante el primer trimestre de un ciclo, la intensidad de la corriente aplicada aumenta de cero al máximo. La intensidad del campo, por lo tanto, aumenta de cero a máximo, y el extremo "A" de la bobina tiene polaridad norte. Por lo tanto, se induce una fem en el conductor que tiende a conducir la corriente de izquierda a derecha.

La velocidad de cambio de la intensidad de campo (representada por la pendiente de la curva) es máxima al comienzo de un ciclo y se nivela a cero en el punto donde se alcanza la intensidad de corriente máxima. La fem inducida que depende de la tasa de cambio, por lo tanto, se encuentra en un máximo al comienzo del ciclo y cae a cero al final del primer trimestre del ciclo.

Durante el segundo trimestre de un ciclo, la intensidad de la corriente aplicada disminuye de máximo a cero. Como en el primer trimestre, la polaridad del extremo A de la bobina es el norte. Por lo tanto, nuevamente se induce una fem en el conductor, pero esta vez tiende a conducir la corriente de derecha a izquierda.

Durante este cuarto de ciclo, la tasa de cambio de intensidad de campo comienza en cero cuando el campo es más intenso y aumenta gradualmente a medida que disminuye la intensidad. Por lo tanto, la fem en el conductor se eleva desde cero al comienzo del segundo ciclo de trimestre, hasta un máximo al final del segundo ciclo de trimestre.

La segunda mitad del ciclo sigue un patrón similar a la primera mitad pero con todas las direcciones invertidas. Durante el tercer trimestre, el campo se eleva a un máximo, el extremo A de la bobina tiene polaridad sur. La fem inducida cae de su máximo a cero, tendiendo a conducir la corriente de derecha a izquierda.

Durante el cuarto trimestre, la intensidad de campo cae del máximo con el extremo 'A' de la bobina que tiene polaridad sur a cero, y la fem inducida aumenta de cero a un máximo, con la corriente que fluye de izquierda a derecha.

La fem inducida en el conductor es, por lo tanto, una fem alterna de la misma frecuencia que la corriente aplicada. Si la corriente aplicada tiene forma de onda sinusoidal, entonces la fem inducida tiene exactamente la misma forma de onda.

Los picos de la fem inducida ocurren exactamente un cuarto de ciclo después de los picos de la corriente aplicada, es decir, quedan 90 ° por detrás de la corriente aplicada. La capacidad de una corriente alterna para inducir una fem alterna en un circuito eléctricamente independiente a través de un campo magnético da lugar al principio del transformador.

Es importante tener en cuenta que la onda sinusoidal es la única forma de onda que se reproduce exactamente por inducción mutua. Si se aplicara una corriente alterna que tiene otra forma de onda a la bobina, la inducción mutua se llevaría a cabo como un proceso continuo, pero la forma de onda de la fem inducida no se parecería a la de la corriente aplicada.

Autoinducción:

Cualquier bobina, en la cual una corriente produce un campo electromagnético, se encuentra dentro de ese campo. Por lo tanto, siempre que la intensidad de la corriente que fluye en la bobina cambia y provoca un cambio en la intensidad de campo, se induce una fem en la propia bobina. Se induce una fem en la bobina solo cuando la intensidad de corriente está cambiando.

De hecho, la fem inducida siempre se opone y retrasa el cambio de la intensidad de corriente que lo induce. Si, y cuando aumenta la corriente, la fem inducida tiende a evitar el aumento, se opone a la fem aplicada a la bobina y, por lo tanto, es una fem posterior. Si la corriente disminuye, la fem inducida tiende; Para perpetuar el flujo de corriente, ejerciéndose en la misma dirección que la fem aplicada.

Cuando el circuito se rompe, la repentina disminución de la corriente a cero induce una gran fem que tiende a mantener la corriente fluyendo después de que se haya producido la interrupción. De hecho, esta es la razón de la chispa que vemos cuando la corriente fluye momentáneamente a través de todas las brechas.

Energía en un circuito de inducción:

El campo magnético creado por una bobina es un almacén de energía suministrada por el circuito eléctrico; cuando la corriente que fluye a través de la bobina aumenta, la intensidad del campo magnético también aumenta.

Parte de la energía suministrada por la batería o el generador se utiliza para superar la fem invertida, y esta energía pasa al campo magnético. Mientras fluye corriente de fuerza constante en la bobina, el campo magnético se mantiene y retiene la energía que se le suministra.

Cuando se reduce la corriente que fluye en la bobina, el campo magnético pierde intensidad y cede energía. Esta energía se devuelve al circuito, ya que la fem inducida tiende a perpetuar el flujo de corriente. El efecto de esta energía devuelta puede ser causar una chispa si el circuito está roto.

La chispa causada por la liberación de energía de un circuito inductivo es un peligro potencial subterráneo en una mina. Si se producen tales chispas cuando hay una concentración explosiva de humedad del fuego o polvo de carbón en la atmósfera, es probable que la concentración se inflame, y podría ocurrir una explosión muy fácilmente.

Por esta razón, cada equipo eléctrico usado bajo tierra debe diseñarse de tal manera que se evite que las chispas enciendan la humedad del fuego o el polvo de carbón. Estos son dos métodos para superar el peligro de chispas, y se describen en los capítulos que tratan sobre Equipos a prueba de fuego y Circuito intrínsecamente seguro.

Inductancia:

El proceso de autoinducción ocurre en cada bobina, ya sea un solenoide o un bobinado menor o de transformador, siempre que cambie la intensidad de la corriente que fluye en ella. En cada caso, la fem inducida retrasa el cambio de la intensidad de corriente que lo induce. El efecto de cualquier bobina sobre el circuito al que está conectado es más bien como el efecto de un volante en un sistema mecánico.

Esta propiedad que tiene una bobina de retardar los cambios dentro de su circuito se llama su inductancia. Cada circuito tiene una ligera inductancia, pero, para la mayoría de los propósitos prácticos, solo debe considerarse la inductancia de las bobinas. Un circuito que contiene bobinas se denomina circuito inductivo.

La inductancia de una bobina depende principalmente del número de vueltas que tiene. Una bobina con un gran número de vueltas crea un campo magnético fuerte, de modo que se induce una frecuencia de retroceso relativamente fuerte en cada vuelta. Dado que todos los giros de la bobina están en serie, el retroceso total emf inducido en la bobina es considerable.

Por otro lado, una bobina de solo unos pocos giros puede producir solo un campo magnético débil y la frecuencia de retroceso total es solo unas pocas veces la de un solo giro, por lo que su inductancia es muy pequeña. La inductancia también se ve afectada por otros factores, como la cercanía y el tamaño de los giros, y las propiedades de cualquier núcleo que pueda tener la bobina. En general, sin embargo, cualquier bobina que esté diseñada para producir un campo magnético fuerte tiene una alta inductancia.

(d) Circuito de corriente alterna y autoinducción:

Una corriente alterna está cambiando continuamente, de modo que en cualquier bobina en la que fluye una corriente alterna, se induce continuamente la frecuencia emf. La fem autoinducida (como una fem mutada) es una fem alterna y se retrasa exactamente 90 ° por detrás de las curvas de corriente de inducción A y B de la figura 3.9 (a).

Al comienzo del primer trimestre de un ciclo, la corriente aumenta más rápidamente en la dirección positiva, por lo que se induce una máxima fem en la dirección negativa.

A medida que la corriente aumenta a un máximo, su tasa de cambio disminuye, y la fem inducida cae a cero. En el segundo trimestre de un ciclo, mientras que la corriente en la dirección positiva está disminuyendo, el emf posterior también actúa en la dirección positiva (oponiéndose al cambio de corriente, es decir, tiende a mantener el flujo de corriente). A medida que aumenta la tasa de cambio, también aumenta la fem inducida, alcanzando un máximo en el momento en que la corriente es realmente cero.

La segunda mitad del ciclo es similar a la primera mitad, pero con todas las direcciones invertidas. En el tercer trimestre, los aumentos de corriente en las direcciones negativas y la frecuencia de retroceso se inducen en la dirección positiva. A medida que la tasa de cambio de la corriente disminuye, la fem inducida cae a cero.

En el cuarto trimestre, la corriente en la dirección negativa cae a cero y la fem se induce en la dirección negativa. A medida que aumenta la tasa de cambio de corriente, la fem inducida aumenta a un máximo.

Comportamiento de corriente alterna:

Cuando se aplica un voltaje alterno a un circuito inductivo y fluye una corriente alterna, dos emf alternas operan al mismo tiempo en el mismo circuito, es decir, la fuente emf y la fem autoinducida.

En cualquier momento en el tiempo en que las dos EMF estén operando en direcciones opuestas, la FEM resultante que tiende a conducir la corriente alrededor del circuito es la diferencia entre las dos FEM en ese instante. Nuevamente, en cualquier momento en que las dos FEM estén operando en la misma dirección, la FEM resultante que tiende a conducir la corriente alrededor del circuito es la suma de las dos FEM en ese instante.

Así, cuando dos emf alternas que tienen forma de onda sinusoidal operan juntas en un circuito, la fem resultante es siempre una fem alterna, también de forma de onda sinusoidal. Sin embargo, la única excepción es cuando las dos fem alternas son iguales y exactamente en antifase.

Entonces no hay una fem resultante. A menos que las dos FEM alternas estén exactamente en fase o en antifase, la FEM resultante está desfasada tanto con el FEM de suministro como con el FEM autoinducido.

En cualquier circuito según la ley de Ohm, la corriente real que fluye en cualquier momento es proporcional al voltaje que tiende a conducir la corriente alrededor del circuito en ese momento. Dado que, cuando se produce una autoinducción, la tensión que en realidad tiende a conducir la corriente alrededor del circuito es la fem resultante, una corriente alterna en un circuito inductivo debe estar en fase con una constante alterna resultante

Se ha demostrado que la fem autoinducida retrasa la corriente de inducción en exactamente 90 °, de modo que, en consecuencia, la fem resultante lleva la fem inducida en 90 °. Además, la FEM resultante puede estar en fase con la FEM de suministro solo si la FEM autoinducida está exactamente en fase o en antifase.

Dado que la fem resultante es desfasada 90 ° con la fem autoinducida, se deduce que la fem resultante es necesariamente desfasada con la fuente de alimentación. Por lo tanto, la corriente alterna que fluye en el circuito también está desfasada con la fuente de alimentación.

En la Fig. 3.9 (b) los puntos anteriores están ilustrados. La fem resultante (curva) se dibuja en fase con la corriente (curva A). La fem autoinducida (curva B) se muestra retrasada 90 ° detrás de la corriente. Como se puede ver en el diagrama, los picos del ciclo actual se producen después de los picos en el ciclo de la fuente emf.

Por lo tanto, en cualquier circuito inductivo, la corriente alterna se retrasa detrás del voltaje alterno de la fuente. La relación entre la corriente y la tensión de alimentación en el circuito se puede ilustrar dibujando las curvas de ambos, utilizando el mismo eje que en la Fig. 3.10. La cantidad por la cual la corriente se retrasa depende de la cantidad de inductancia y la cantidad de resistencia en el circuito.

En cualquier circuito, el aumento de la inductancia o la disminución de la resistencia aumenta el retraso de la corriente. Por el contrario, la disminución de la inductancia o el aumento de la resistencia, disminuye el retraso actual. En el caso teórico extremo de un circuito que contiene inductancia pura y ninguna resistencia en absoluto, la corriente se retrasaría exactamente un cuarto de ciclo 90 ° detrás de la tensión de alimentación, como se muestra en la Fig. 30.10 (b).

Sin embargo, en cualquier circuito práctico, siempre hay cierta resistencia (al menos la resistencia de los conductores), de modo que la corriente se retrasa siempre menos de 90 ° como se explica en la Fig. 3.10 (c).

Resistencia reactiva:

Cuando se conecta una fuente de corriente alterna a un circuito inductivo, el valor rms de la corriente que fluye está limitado, independientemente de cualquier resistencia, por el proceso de autoinducción que se produce. Es posible, en teoría, suponer que puede existir un circuito que no tenga resistencia sino solo inductancia.

Si se aplicara una diferencia de potencial de CC a dicho circuito, no habría límite a la intensidad de la corriente continua que fluiría. Desde el primer principio de la electricidad, sabemos que,

Corriente = Tensión / Resistencia,

pero como resistencia = 0 ohmios,

Corriente = Voltaje / 0 O infinito.

Si se conectara un suministro de corriente alterna, la corriente estaría limitada por la fem autoinducida. La corriente se retrasa exactamente 90 ° con respecto a la tensión aplicada, y la fem inducida está exactamente en antifase con la tensión aplicada.

La fem inducida nunca puede ser mayor que el voltaje aplicado, de lo contrario, la corriente de inducción no podría fluir. El tamaño de la fem inducida en cada momento del ciclo depende de la velocidad de cambio de la corriente en ese momento. Dado que la fem inducida es limitada, la velocidad de cambio de la corriente es limitada, y los valores máximos y rms de la corriente también son limitados.

Ahora, siempre, la fuerza real de la corriente que fluye en el circuito depende de,

a) la inductancia del circuito; y sabemos que, cuanto mayor sea la inductancia, mayor será la fem inducida para cualquier tasa de cambio de corriente, y

(b) frecuencia; y también sabemos que, a mayor frecuencia, mayor es la tasa de cambio requerida dentro del ciclo para un valor rms dado.

La figura 3.11 ilustra las afirmaciones anteriores. La propiedad que tiene una bobina (o un circuito de inductancia en su conjunto) de limitar la fuerza de una corriente alterna que fluye en ella se llama reactancia.

Impedancia:

Cualquier circuito práctico que contenga una bobina tiene tanto resistencia como reactancia, y el valor de una corriente alterna que fluye en el circuito está determinado por el efecto combinado de las dos propiedades. Este efecto combinado se denomina impedancia.

Una bobina, por ejemplo, puede construirse de modo que tenga una alta inductancia pero una resistencia muy baja. Si entonces, se aplica un potencial de CC de, por ejemplo, 100 voltios, fluirá una fuerte corriente continua.

Si, por otro lado, se aplica un voltaje alterno de 100 voltios rms, la reactancia de la bobina limitará la corriente alterna a un valor muy bajo. El circuito tiene por lo tanto una alta impedancia. Un circuito que contenga una alta resistencia y solo una pequeña cantidad de inductancia también permitirá que solo fluya una pequeña corriente alterna, e igualmente tiene una alta impedancia.

Aunque la impedancia de un circuito como la reactancia sola varía con la frecuencia de la fuente alterna, para cualquier frecuencia dada, la impedancia está relacionada con la diferencia de corriente y potencial exactamente de la misma manera que la resistencia sola, es decir

Como estas fórmulas son exactamente iguales a las establecidas por la Ley de Ohmios, la impedancia se mide en ohmios. De hecho, estos son los principios básicos que siempre serán esenciales para resolver cualquier problema de aplicación de ingeniería eléctrica.

Capacidad:

Un condensador o condensador es un componente eléctrico diseñado para retener una carga eléctrica específica. Los condensadores se utilizan en circuitos eléctricos para muchos propósitos. En las minas y en las industrias, estos se utilizan más comúnmente para la corrección del factor de potencia y la seguridad intrínseca.

De hecho, un condensador simple consiste en dos placas metálicas unidas entre sí pero aisladas unas de otras como se muestra en la figura 3.12 (a). Los materiales aislantes que separan las placas se conocen como dieléctricos.

Si se conectara una batería a través de las dos placas, como se muestra en la Fig. 3.12 (b), la placa conectada al positivo de la batería aceptaría una carga positiva, mientras que la placa conectada al negativo de la batería aceptaría una carga negativa.

Cuando cada placa se carga, se crea una diferencia de potencial entre las dos placas que no se puede reducir debido al aislamiento entre ellas. Pero cuando está completamente cargada, la diferencia de potencial entre las dos placas es igual a la diferencia de potencial en los terminales de la batería.

Unidad de Capacitancia:

La capacitancia se puede medir, y la unidad básica es el faradio. Un objeto tiene una capacidad de un faradio si requiere un flujo de corriente de un amperio durante un segundo para cambiar su potencial en un voltio.

Sin embargo, la unidad básica de capacitancia es demasiado grande para mediciones prácticas, ya que nadie ha construido un objeto que tenga una capacitancia de más de una pequeña fracción de un faradio. De hecho, se ha calculado que si se fabricara una esfera metálica con una capacidad de un faradio, sería mucho más grande que la propia Tierra.

Las unidades de capacitancia utilizadas con fines prácticos son el microfaradio, que es igual a una millonésima parte de un faradio; y el Pico farad, (o micro microfaradio), que es igual a una millonésima parte de un microfarad. Sin embargo, sabemos que cuando un conductor recibe una carga de una fuente de suministro, el flujo de corriente indica que la energía se ha transferido para producir la carga.

Mientras el conductor retenga la carga estática, puede considerarse como energía eléctrica fuerte. La energía se disipa cuando el conductor se descarga. La propiedad de poder aceptar y retener una carga estática se denomina capacitancia.

Capacitancia de un condensador:

La capacitancia de un condensador es muchas veces mayor que la capacitancia de las placas como objetos aislados. Este gran aumento de la capacitancia se debe al efecto que las dos placas cargadas tienen una sobre la otra. Ahora veamos qué sucede cuando el condensador comienza a cargarse, una placa adquiere una carga negativa, mientras que la otra adquiere una carga positiva.

La placa cargada positivamente tiende a atraer una carga negativa adicional a la superficie opuesta de la placa negativa, y de manera similar, la placa cargada negativamente tiende a atraer una carga positiva adicional a la placa positiva. El efecto es que la corriente continúa fluyendo a medida que las cargas se concentran o condensan (de hecho, el nombre del condensador se debe a la condensación de la carga) uno frente al otro en las superficies de las placas.

La concentración de cargas opuestas entre sí de esta manera se denomina inducción electrostática. Su efecto es oponerse a la creación de una diferencia de potencial entre las placas, porque las cargas dibujadas en las placas tienden a neutralizarse entre sí.

Por lo tanto, cuando se carga un condensador, la mayor parte de la carga suministrada a las placas se aplica a las caras opuestas donde se neutraliza, y solo una pequeña proporción está disponible para crear la diferencia de potencial entre las placas.

Por lo tanto, se debe suministrar una gran cantidad de carga a las placas del condensador para producir una pequeña diferencia de potencial entre las placas, es decir, la capacitancia del condensador es grande.

Un condensador que tiene una capacidad de 10 microfaradios se construye fácilmente, cuyas placas, cuando están separadas, tienen una capacidad que es inconmensurablemente pequeña. De hecho, la capacitancia real de un condensador depende de varios factores.

Los factores más importantes son:

(i) Área total de placas:

Como las cargas neutralizadas en el condensador se concentran en las caras opuestas de las placas, la cantidad de carga que puede ser absorbida y neutralizada depende del área de la superficie que está directamente opuesta entre sí.

The greater this area, the greater is the capacitance of the condenser. In practice, large plate areas are accommodated by rolling the plates into a coil, by building up banks of plates, alternately positive and negative.

(ii) Distance between plates:

The force of electrostatic induction exerted between the plates increases as they are brought closer together. The nearer the plates, therefore, the greater is the amount of charge which can be concentrated on their surfaces and neutralized, and the larger is the capacitance of the condenser.

The dielectric between the plates must be thick and electrically strong enough to withstand the voltage applied across it, otherwise the whole thing will fail much, much earlier.

(iii) Property of the Dielectric:

A simple condenser, such as that illustrated in Fig. 3.12(a), may have air as its dielectric. Some solid dielectrics, such as mica, waxed paper, or insulating oil give a condenser of similar dimensions a greater capacitance. The reason for this is that the charge on the plates tends to induce charges on the surface of the dielectric with which they are in contact.

The surface of the dielectric in contact with the positive plate acquires a negative charge and vice-versa. The charges on the surfaces of the dielectric, therefore, act as an additional neutralizing force against charge on the surfaces of the plates, so that the condenser must absorb still more charge to establish a given potential difference between the plates.

(e) Condensers in Direct Current Circuit:

Since there is no electrical connection between the plates of a condenser, a direct current circuit cannot be completed through it. If a condenser is connected across a battery in series with a lamp, no circuit is completed, and the lamp will not operate. However, if the condenser is not charged when the connections are made, a current will flow in the conductors until the condenser is charged.

If the charging current were strong enough, the lamp would flash on momentarily. Although no current flows through the dielectric of the condenser, for the brief period while the condenser is charging, current flows as though a circuit were completed through it. The strength of the current is greatest at the moment when the battery is first connected, but it rapidly falls off as the charge on the condenser builds up.

When the full potential difference between the plates is achieved, the flow of current ceases. The flow of current indicates that the battery has supplied electrical energy to the condenser. This energy is now stored in the charge. If the battery is disconnected, the condenser remains charged and retains its store of electrical energy.

If a connection is now made between the two plates, a current flows from the positively charged plate to the negatively charged plate until the condenser is discharged, and the two plates are at the same potential. This flow of current is again greatest when the connection is first made and rapidly falls off as the potential difference decreases.

Condenser and ac Circuit:

The effect of condenser on an alternating current circuit is quite different from its effect on a direct current circuit. Please look into the Fig. 3.13. The polarity of the alternating current supply is continually reversed, so that the condenser cannot retain a static charge, as it does in a direct current circuit.

When the alternating current supply is first connected, the first cycle begins by boiling up a potential difference across the plates of the condenser. As when a direct current source is first connected, a current flows momentarily and rapidly falls off as the voltage between the plates rises. At the end of a quarter of a cycle, the voltage has reached a peak, and the current has stopped flowing.

During the second quarter of the cycle, the voltage of the supply is decreasing. When the voltage of the supply has fallen to a lower value than the potential difference between the plates of the condenser, the condenser begins to discharge.

As the condenser discharges, current begins to flow in the opposite direction to that of initial current. Since the voltage of the supply still opposes the discharging current, the discharge current is at first very small: It reaches a maximum value only when the supply voltage is at zero.

Then, when the second half begins, current continues flowing in the same direction and the condenser begins to charge with a reverse polarity. At the end of the third quarter cycle, voltage again reaches a peak and current ceases to flow. During the fourth quarter of the cycle, the condenser begins to discharge again, the discharge current flowing in the same direction as the first charging current.

When an alternating supply is connected to a condenser, an alternating current actually flows in the conductors connecting the source of supply to the plates of the condenser. Although no current actually flows through the dielectric between the plates, the circuit behaves as though it were complete, and, for practical purposes, a condenser may be regarded as allowing an alternating current to flow through it.

Now again from Fig. 3.13 we can show that an alternating current circuit cycle would occur when the voltage is at zero, and vice versa. The current cycle therefore leads the voltage cycle by 90°.

However as we know that any practical circuit necessarily contains some resistance as well as capacitance, the current never actually leads the voltage by a full 90°. The actual amount by which the current cycle leads the voltage cycle depends upon how much resistance and how much capacitance the circuit contains. The vector diagram in Fig. 3.13 explains the above statements vectorially.

Capacitance Reaction and Impedances:

When an alternating voltage is applied across a condenser, the strength of the alternating current which flows is determined by the capacitances of the condenser. For any given voltage a condenser of a large capacitance absorbs a large amount of charge, so that a heavy current flows.

But a condenser of small capacitance absorbs a small amount of charge, so that only a small current flows. The property which a condenser has of limiting alternating current is called capacitive reactance.

The capacitance and resistance of a circuit together offer an impedance to the passage of alternating current. As with inductive impedance, for any given frequency, capacitive impedance is related to alternating voltage and current in exactly the same way as pure resistance. Impedance is therefore also measured is ohms.

The impedance of a capacitive circuit varies with frequency of the alternating supply. The higher the frequency of the supply, the lower is the impedance of circuit. When the frequency of the supply is increased, the rate at which the condenser must be charged during each half cycle is also increased so that a heavier current must flow.

Unless otherwise stated, the impedance of capacitive circuit is always measured at 50 c/s, USA (and the countries influenced by USA system) has their frequency as 60 cycles per second.

Comparison of Capacitance & Inductance:

The effect of a condenser on an alternating current circuit is in many ways the reverse of the effect of a coil.

The effect of capacitance and inductance are compared as below:

Capacitance of Circuit Conductor:

Every electrical circuit has a certain amount of capacitance irrespective of whether a condenser is connected into it. It is not usually possible to calculate what the capacitance of a circuit will be, and the capacitance of many circuits is too small to be measured, but the capacitance of a power circuit may be large enough to present a danger if its effects are not guarded against.

Therefore it is always advisable to discharge the power circuits to earth ever after they are switched off, before working on the line.

The cable conductors, switchgear connections, and motor windings of, for example, a coalface circuit contains a considerable amount of metal connected together. This mass of metal has, of itself, a certain capacity for retaining a charge of electricity.

It is, however, surrounded by the earth screen of the cable and the metal casings of the motor and switchgear. The casing and the conductors together act as a condenser, so that the capacitance of the metal parts of the circuit is greatly increased.

Now when the supply is switched off from the motor after it has been working, the metal parts of the circuit could retain a charge of electricity for a time even though the current is not flowing. The electrical energy contained in the charge would be very little compared with the energy carried by the system when working, but it could be sufficient to give anyone touching a conductor in the circuit a severe shock.

Further, the accidental discharge of the conductor when exposed could cause a spark which might ignite any fire damp present in the atmosphere. It is, therefore, possible to receive a severe shock or produce an incendive spark from a conductor even though the conductor is isolated from the source of supply.

In order to eliminate the danger of shock or sparking from a charged conductor, isolator switches are usually provided with an 'earth' position which enables all the conductors isolated by the switch to be connected directly to earth, so that they can be discharged.

It is therefore must, and important when working on any high or medium voltage electrical equipment, to ensure that any conductor to be exposed have been both isolated and discharged before any cover is removed. Conductors should be connected directly to earth for at least one minute in order to ensure that these are fully discharged.

Electrical Engineering: Effect # 2. Heating Effect of Electric Current:

Whenever an electric current flows it meets with resistances. If the current is flowing in a good conductor, such as copper, the resistance is very slight, but some other materials which conduct electricity offer much more resistance. Whenever an electromotive force drives a current round an electric circuit, energy is expended in overcoming the resistance in the circuit.

The electrical energy expended is given out in the form of heat. The amount of heat produced at any point in an electric circuit depends upon the resistance of the material of which the circuit is made at that point, and upon the strength of the current flowing.

Some heat is produced at every point of every circuit in which current is flowing, but throughout most of the circuit, eg the cables, the amount of heat produced is normally very small and is readily dispersed.

Some parts of a circuit have higher resistance than the rest and, in these parts, more heat is- produced. For that reason, electric motors, generators, transformers and other equipment, have to be cooled while in operation.

Similarly, a bad connection in a circuit eg a poorly made plug, offers a higher resistance, and excessive heat may be produced at that point. The heating could be sufficient to damage the equipment and possibly start a fire.

However, the heating of an electric current is used in electric light bulbs and electric fires. In an electric light bulb current passing through a fine wire produces sufficient heat to raise the temperature wire very high so that it glows brilliantly. This useful aspect of electricity is explained and illustrated in the chapter dealing with Electric Lighting.

Electrical Engineering: Effect # 3. Chemical Effect:

Some liquids also conduct electricity, but when they do so, some chemical reactions occurs. Fig. 3.14 illustrates how such liquids conduct electricity.

A potential difference is applied across the liquid by connecting a source of energy to two solid conductors (called electrodes) immersed in the liquid. The positive electrode is called the anode and the negative electrode is called the cathode. The liquid is called the electrolyte, and the process by which a liquid conducts electricity is called electrolysis.

Most conducting liquids consist of a solution of solid (eg washing soda, or copper sulphate) or liquid (eg sulphuric acid) in water. When the substance dissolves it splits chemically into two electrically charged parts, called ions.

One ion consists of positively charged particles whilst the other consists of negatively charged particles. In its normal state, the solution is electrically neutral, because the negatively and positively charged ions completely neutralize one another.

When a potential difference exists between the electrodes, the positively charged ions (cations) are attracted towards the cathode and the negatively charged ions (anions) are attracted towards the anode. In this way, a two way flow of ions is set up in the liquid. This movement of ions constitutes the passage of current through the liquid.

When the ions reach the electrodes they lose their electric charge and are released, either as a gas, or as a coating on the electrode. Some ions, however, are incapable of existing independently as substances, and they therefore combine chemically with the material of the electrode.

An example of the use of the chemical effect of an electric current is copper electro-plating. A copper anode is immersed in a solution of copper sulphate. Any metal object immersed in this solution as the cathode becomes plated with copper when a current flows through the solution. The copper sulphate is split chemically into a copper ion (positive) and a negative sulphion (the sulphate part of the copper sulphate).

The copper is attracted to and deposited on the cathodes, the sulphions is attracted to the anode where it combines with the copper, recreating copper sulphate. The overall effect is that copper is transferred from the anode to the cathode, the electrolyte, in-fact, remaining unchanged.

The chemical effect of an electric current is frequently encountered in collieries, where electrolysis causes corrosion of electrical apparatus, eg the armoring of cables.

Acidic mine water from the electrolyte and, in the event of slight stray current leaking to earth from the apparatus, chemical action takes place between the water and the metal of the equipment. It is also noted that the process of electrolysis can be reversed.

A chemical action between an electrolyte and two electrodes can produce an electric current. The generation of electricity by chemical action is the principle of the battery, which also has been explained and illustrated in the chapter on batteries.

Conducting Gases:

Gases and vapoures, like liquids, also conduct electricity by a two-way flow of ions. Neon is an example of conducting gas, vapours which conduct electricity include mercury vapour and sodium vapour. The gas or vapour is usually contained in an enclosure, such as a glass tube, from which air has first been exhausted.

Two electrodes, an anode and a cathode, are sealed in the enclosure. When a sufficient potential difference is applied across the electrodes, the gas is ionised, and the positive and the negative ions are attracted respectively to the cathode and anode, so that the gas begins to conduct.

The two way flow of ions causes some gases and vapours to emit a brilliant glow while they are conducting. However, for each gas or vapour, there is a certain minimum voltage which must be applied across the electrodes before ionisation begins.

Below this voltage, no ions are produced and the gas does not conduct at all. The minimum voltage at which a gas or vapour will conduct is called its striking voltage. Conducting gases and vapours are used in certain types of lighting and for a form of rectifier. Some applications of conducting gases in industry are shown in the chapter on electric lighting.